学習目標
- DNAを鋳型としてRNAが合成される方法を説明できる
- 原核生物と真核生物における転写を区別できる
転写が進行する過程で、真核生物はRNAを合成する。 1つまたは複数の遺伝子のDNA配列にコードされた情報は、RNAの鎖に転写され、RNA転写物とも呼ばれます。 アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、ウラシル（U）を含むリボヌクレオチドからなるRNA分子は、元のDNA配列の移動分子コピーとして機能する。 原核生物および真核生物における転写は、RNA合成の領域でDNA二重らせんが部分的にほぐれることを必要とする。 巻き戻された領域は転写バブルと呼ばれる。 特定の遺伝子の転写は、常に鋳型となる2本のDNA鎖のうち1本、いわゆるアンチセンス鎖から進行する。 RNA産物はDNAの鋳型鎖と相補的であり、鋳型でないDNA鎖、すなわちセンス鎖とほとんど同じである。
細菌の転写
細菌は同じRNAポリメラーゼを使って、すべての遺伝子を転写する。 DNAポリメラーゼと同様に、RNAポリメラーゼは成長するヌクレオチド鎖の3′-OH基にヌクレオチドを1つずつ付加していく。 DNAポリメラーゼとRNAポリメラーゼの活性の決定的な違いは、ヌクレオチドを付加するための3′-OH基が必要であることである。 DNAポリメラーゼは3′-OH基を必要とするため、プライマーを必要とするが、RNAポリメラーゼはプライマーを必要としない。 転写の際には、DNA鋳型鎖に相補的なリボヌクレオチドが成長中のRNA鎖に付加され、新しいヌクレオチドと最後に付加されたヌクレオチドの間に脱水合成により共有結合のホスホジエステル結合が形成される。 大腸菌のRNAポリメラーゼは6つのポリペプチドサブユニットからなり、そのうち5つは成長する鎖にRNAヌクレオチドを付加するポリメラーゼコア酵素を構成している。 6番目のサブユニットはシグマ（σ）と呼ばれる。 σ因子はRNAポリメラーゼが特定のプロモーターに結合することを可能にし、その結果、様々な遺伝子の転写を可能にする。
転写開始
転写の開始はプロモーター、つまり転写装置が結合して転写を開始するDNA配列で始まる。 最初の5′RNAヌクレオチドが転写される部位に対応するDNA二重らせんのヌクレオチド対が開始点である。 開始部位より前のヌクレオチドは「上流」と呼ばれ、開始部位に続くヌクレオチドは「下流」と呼ばれる。 多くの場合、プロモーターは制御する遺伝子のすぐ上流に位置している。 プロモーターの配列は細菌ゲノムによって異なるが、いくつかの要素は保存されている。 開始部位（+1）の前のDNAの-10と-35の位置に、2つのプロモーターコンセンサス配列、つまり全てのプロモーターと様々な細菌種で類似している領域がある。 10番目のコンセンサス配列は、TATAボックスと呼ばれ、TATAATである。 35の配列はσによって認識され結合する。
伸長
転写期の伸長は、σサブユニットがポリメラーゼから解離し、コア酵素がDNAテンプレートに相補的なRNAを5から3方向に毎秒約40塩基の速度で合成できるときに開始される。 伸長が進むにつれて、DNAはコア酵素の前方に巻き戻され、後方に巻き戻され続ける（図1）
図1.
終結
遺伝子が転写されると、細菌ポリメラーゼはDNA鋳型から解離し、新しく作られたRNAを放出する必要がある。 これを転写の終結という。 DNA鋳型には、終結シグナルとして働く繰り返しヌクレオチド配列があり、RNAポリメラーゼを失速させてDNA鋳型から離し、RNA転写物を自由にする。
考えてみよう
- RNAポリメラーゼのσ因子はどこにDNAと結びついて転写を開始するか？
- RNAポリメラーゼの重合活性を開始するために何が起こるか？
- 転写を終了する信号はどこから来るか？
真核生物の転写
原核生物も真核生物も基本的に同じ転写という過程を行っているが、いくつかの大きな違いがある（表1参照）。 真核生物は、バクテリアのRNAポリメラーゼとは構造的に異なる3種類のポリメラーゼ、RNAポリメラーゼI、II、IIIを使用している。 それぞれ異なる遺伝子のサブセットを転写する。 興味深いことに、古細菌には1つのRNAポリメラーゼが存在し、これはバクテリアのRNAポリメラーゼよりも真核生物のRNAポリメラーゼIIに近縁である。 真核生物のmRNAは通常モノシストロンであり、それぞれが単一のポリペプチドのみをコードするのに対し、細菌や古細菌の原核生物のmRNAは通常ポリシストロンであり、複数のポリペプチドをコードする。
原核生物と真核生物の最も重要な違いは、後者が膜結合核を持ち、これがタンパク質合成にRNA分子の使いやすさに影響することである。 遺伝子が核に結合しているため、真核細胞はタンパク質をコードするRNA分子を細胞質へ輸送して翻訳しなければならない。 タンパク質をコードする一次転写産物は、RNAポリメラーゼによって直接合成されるRNA分子であるが、核から細胞質へ運ばれタンパク質に翻訳される間に、これらのRNA分子を分解から守るためにいくつかの処理段階を経なければならない。 例えば、真核生物のmRNAは数時間持続することがあるが、典型的な原核生物のmRNAは5秒以上持続しない。
一次転写物（プレmRNAとも呼ばれる）は、まずRNA安定化タンパク質でコーティングされ、それが処理されて核の外に輸出される間に分解から保護される。 最初のタイプの処理は、一次転写産物がまだ合成されている間に始まります。5′キャップと呼ばれる特別な7-メチルグアノシンヌクレオチドが、成長中の転写産物の5′末端に付加されます。 分解を防ぐだけでなく、その後のタンパク質合成に関わる因子がこのキャップを認識し、リボソームによる翻訳を開始するのを助ける。 伸長が完了すると、別の処理酵素が約200のアデニンヌクレオチドからなる文字列を3末端に付加する。
ポリペプチドをコードする真核生物の遺伝子は、エクソンと呼ばれるコード配列（エクソンは発現を意味する）とイントロンと呼ばれる介在配列（イントロンは介在の役割を意味する）から構成されている。 イントロンに対応する転写RNA配列は、機能性ポリペプチドの領域をコードしておらず、プロセシングの過程でプレmRNAから除去される。 タンパク質合成の前に、イントロンにコードされたRNA配列をプレmRNAから完全かつ正確に除去し、エクソンにコードされたRNA配列が適切に結合して機能的なポリペプチドをコードすることが不可欠である。 もし、このプロセスを1塩基でも誤ると、再結合したエクソンの配列がずれてしまい、出来上がったポリペプチドは機能しないものになってしまう。 イントロンにコードされたRNA配列を取り除き、エクソンにコードされたRNA配列を再結合する過程はRNAスプライシングと呼ばれ、小核リボ核タンパク質（snRNP）を含むスプライソソームの働きによって促進されている。 イントロンにコードされたRNA配列は、プレmRNAがまだ核内にある間に取り除かれる。 イントロンは翻訳されないが、遺伝子の制御やmRNAの輸送など、さまざまな機能を持っているようだ。 このような修飾を経て、ポリペプチドをコードするmRNAである成熟mRNAは、核の外に運ばれ、細胞質で翻訳される。 イントロンは異なる方法でスプライシングされ、最終的なmRNA産物には様々なエクソンが含まれたり、除外されたりすることがある。 このプロセスは、代替スプライシングとして知られている。 代替スプライシングの利点は、同じDNA配列から、異なるタイプのmRNA転写物を生成できることです。 近年、いくつかの古細菌にもプレmRNAをスプライシングする能力があることが示されている。
| 表1. バクテリアと真核生物の転写の比較 | ||
|---|---|---|
| 性質 | バクテリア | 真核生物 |
| ポリペプチドの数 mRNAにコードされる | Monocistronic or polycistronic | Exclusively monocistronic |
| ストランド伸長 | core + σ= holoenzyme | RNA polymerases I, II, or III |
| 5′キャップの付加 | 無し | 有り |
| 3′ポリAテールの付加 | 無し | 有り |
| プレポリマーをスプリシングすることmRNA | No | Yes |
このビデオで実際のプロセスを見ることによって、mRNAスプライシングがどのように起こるかを視覚化することができます。
RNAスプライシングの際にイントロンがどのように除去されるかをご覧ください。
考えてみよう
- 真核細胞では、タンパク質に対する遺伝子からのRNA転写物は転写後どのように変化するのでしょう。
- エクソンやイントロンはタンパク質配列の情報を含んでいますか？
クリニカル・フォーカス。
救急外来で、看護師がTravisに、彼の症状は制御不能になった感染症を示しているので、病院に来るのは良い決断だと言いました。 Travisの症状は進行しており、皮膚の患部と腫れの量は増えていました。 患部では発疹が出始め、皮膚の一番外側の層の下に水ぶくれや小さなガスポケットができ、皮膚の一部は灰色になりつつあった。 水疱の一つから排出された膿の腐敗臭、感染の急速な進行、患部の皮膚の外観から、医師は直ちに壊死性筋膜炎の治療を開始しました。 トラヴィスの医師は、水疱から排出される液体の培養を指示し、白血球数を含む血液検査も指示しました。
トラヴィスは集中治療室に入院し、感染のさらなる拡大を最小限に抑えるために広域スペクトル抗生物質の静脈内投与を開始しました。 抗生物質による治療にもかかわらず、Travisの状態は急速に悪化しました。 Travisは混乱し、めまいがするようになりました。 入院後数時間で、血圧は著しく低下し、呼吸は浅く、速くなりました。 さらに、水疱が増加し、水疱の色が紫黒色に強まり、傷自体がトラヴィスの脚を急速に進行しているように見えた。
- トラヴィスの壊死性筋膜炎の原因物質として考えられるものは何ですか。
- なぜ抗生物質治療が効かないように見えるかの説明として考えられるものは何ですか。
この後のページで、トラヴィスの例に戻ります。
キーコンセプトとまとめ
- 転写では、DNAにコードされた情報を使用してRNAを作成します。
- RNAポリメラーゼは、DNAのアンチセンス鎖を鋳型として、伸びている鎖の3′末端に相補的なRNAヌクレオチドを付加してRNAを合成する。
- RNAポリメラーゼは、転写開始時にプロモーターと呼ばれる配列でDNAに結合します。
- 原核生物では、関連した機能を持つタンパク質をコードする遺伝子が、単一のプロモーターの制御下で頻繁に転写され、複数のポリペプチドをコードするポリシストロンmRNA分子を形成することになります。
- DNAポリメラーゼとは異なり、RNAポリメラーゼはヌクレオチドを付加するために3′-OH基を必要としないので、開始時にプライマーは必要ない。
- 細菌における転写の終了は、RNAポリメラーゼがポリメラーゼの失速につながる特定のDNA配列と遭遇したときに発生する。 真核生物は3種類のRNAポリメラーゼを持っている。 真核生物の一次転写物は、5′キャップと3′ポリAテールの付加やスプライシングなど、いくつかの方法で処理され、核の外に輸送でき、分解から保護された成熟mRNA分子が生成される。
多肢選択
細菌の転写のどの段階で、RNAポリメラーゼのσサブユニットが関与するか
- 開始
- 伸長
- 終結
- スプライシング
転写の開始に関与する構成要素はどれか。
- プライマー
- オリジン
- プロモーター
- スタートコドン
成熟した真核生物のmRNA分子の5′キャップと3′ポリAテールの機能として、誤っているものはどれか。
- スプライシングを促進する
- mRNAの分解を防ぐ
- 成熟転写物の細胞質への輸送を助ける
- リボソームと転写物の結合を助ける
真核生物からの成熟mRNAは、次のどれを除いて、これらの特徴のそれぞれを含むであろうか。
- exon-encoded RNA
- intron-encoded RNA
- 5′ cap
- 3′ poly-A tail
空欄を埋める
a ______ mRNA is one that codes for multiple polypeptides.